天然氣處理廠蒸汽鍋爐能耗分析及改進措施

潘 祥，王嘉彥，師婉瑩，姚 帥，蘇萬兵，張 鵬

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

目前，第A天然氣處理廠供熱設(shè)備共有三臺WNS4-1.25-Q燃?xì)庹羝仩t及相關(guān)配套設(shè)施，額定蒸發(fā)量4 t/h。主要承擔(dān)脫烴脫水裝置、甲醇回收裝置、凝析油穩(wěn)定裝置等單元的生產(chǎn)用蒸汽以及倒班點、處理廠廠區(qū)采暖、供熱蒸汽。冬季兩用一備，夏季一用兩備。

除第A處理廠使用蒸汽鍋爐之外，其余處理廠均為燃?xì)鈱?dǎo)熱油爐。

1 鍋爐工藝流程及設(shè)備構(gòu)成

1.1 熱力系統(tǒng)

蒸汽鍋爐系統(tǒng)：經(jīng)軟化除氧的無氧軟化水經(jīng)鍋爐給水泵送入鍋爐，在爐內(nèi)生成0.50 MPa飽和蒸汽，經(jīng)蒸汽母管進入分氣缸，再由蒸汽管網(wǎng)輸送到各蒸汽用戶，部分蒸汽經(jīng)汽-水換熱機組換熱產(chǎn)生95℃～70℃熱水，供各建筑物采暖，采暖熱水循環(huán)使用。蒸汽凝結(jié)水統(tǒng)一回至凝結(jié)水罐，經(jīng)化驗合格后作為鍋爐補水。本系統(tǒng)同時考慮向丙烷冷卻裝置供軟化水（5.4 m3/h）。

蒸汽鍋爐系統(tǒng)流程簡圖（見圖1）。

熱媒油系統(tǒng)：經(jīng)注油泵撬（含注油泵）將儲油罐的導(dǎo)熱油送入導(dǎo)熱油爐，在爐內(nèi)加熱至200℃，經(jīng)熱媒循環(huán)泵循環(huán)加壓到0.7 MPa后，進入導(dǎo)熱油主管網(wǎng)；然后輸送至處理廠，熱媒油系統(tǒng)流程簡圖（見圖2）。

1.2 水/導(dǎo)熱油處理系統(tǒng)

蒸汽鍋爐：站內(nèi)水管網(wǎng)來水經(jīng)生水泵加壓進入軟化除氧成套設(shè)備進行軟化除氧，軟化無氧水進入軟化除氧水罐。

導(dǎo)熱油鍋爐：本系統(tǒng)以天然氣為燃料，燃料在熱媒油爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱量，分別以輻射和對流的形式將熱量傳遞給中間熱載體（熱媒油），攜帶熱能的熱媒載體在循環(huán)泵作用下在用戶換熱設(shè)備中與用熱工質(zhì)進行換熱，從而將熱量傳給用熱工質(zhì)，實現(xiàn)加熱的目的。換熱后的熱媒油在熱媒油循環(huán)泵作用下，重新返回到熱媒油爐進行再加熱，如此實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)加熱。

1.3 設(shè)備組成

蒸汽鍋爐組成：燃?xì)庹羝仩t、軟化除氧成套設(shè)備、汽-水換熱機組WNS4-1.25-Q型燃?xì)忮仩t附件儀表、鍋爐報警裝置。特別地：鍋爐房內(nèi)蒸汽管線、采暖供回水管線必須保溫，其余管線可不保溫，但均做防腐處理。水罐、室外地面上管線也應(yīng)予以保溫；鍋爐房所有管線均應(yīng)進行水壓試驗，蒸汽管試驗壓力為1.60 MPa，熱水管線試驗壓力為1.29 MPa，水處理系統(tǒng)試壓0.6 MPa，無壓管道試壓0.3 MPa。

導(dǎo)熱油爐：熱媒油爐燃燒系統(tǒng)主要由燃?xì)夤芫€部分和燃燒器組成。燃?xì)夤芫€部分配有燃料氣切斷球閥、氣體過濾器、調(diào)壓器、穩(wěn)壓閥、放散閥及壓力就地顯示儀表（見表1）。

圖1 蒸汽鍋爐系統(tǒng)流程簡圖

圖2 熱媒油系統(tǒng)流程簡圖

小結(jié)：通過以上分析，導(dǎo)熱油系統(tǒng)與蒸汽加熱系統(tǒng)比較：（1）蒸汽鍋爐價格比導(dǎo)熱油爐價格低；（2）蒸汽鍋爐日常工作量較大，運行中存在問題較多，尤其是爐水化驗不合格，給處理廠正常生產(chǎn)帶來影響。經(jīng)對第二、三、四、五、六處理廠導(dǎo)熱油爐歷年運行情況調(diào)查，導(dǎo)熱油爐在運行過程中出現(xiàn)的問題主要是燃燒器或配電柜等配件的故障，經(jīng)調(diào)試或更換后很快能恢復(fù)正常使用，不會影響廠內(nèi)正常生產(chǎn)；（3）導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)可在常壓（或低壓）下運行，減少了高壓蒸汽管線、特殊的放空管、閃蒸罐和壓力控制等裝置，大幅度降低了系統(tǒng)初期投資，避免了蒸汽管線的冷凝損失；（4）正常操作條件下使用導(dǎo)熱油不易造成系統(tǒng)的腐蝕和結(jié)垢，維修量較小，日常工作量較少，同時也可節(jié)省處理鍋爐排污水以免污染環(huán)境的費用[1-4]。

表1 蒸汽鍋爐與導(dǎo)熱油爐對比表

表2 2017年12月各處理廠消耗新鮮水統(tǒng)計對比表

2 蒸汽鍋爐存在問題

2.1 新鮮水單耗高

從表2可以看出第A處理廠能耗全廠最大，節(jié)水形勢不容樂觀。

根據(jù)第A處理廠新鮮水消耗較大，第A處理廠根據(jù)現(xiàn)場運行實際，采取冷凝水與1#軟水罐拉通、降低新鮮水消耗（見圖3）。但冷凝水與軟水拉通使用后，由于回水溫度較高，兩罐拉通后高水溫?zé)o法滿足丙烷裝置蒸發(fā)式冷凝器的水冷要求，因此一直無法實現(xiàn)將軟水罐和冷凝水罐拉通使用的功能。由于冷凝回水無法再度使用，造成軟水消耗量加大，軟化裝置運行時間長，設(shè)備使用壽命縮短。

圖3 2011年至2017年第A處理廠新鮮水單耗

2.2 軟水系統(tǒng)含氧量超標(biāo)

在交換柱內(nèi)水的除氧過程和軟化過程是同時進行的。從配藥箱流出的除氧劑藥液與原水混合后進入軟水器下口，經(jīng)過樹脂層時，除了發(fā)生軟化作用，還發(fā)生氧化還原反應(yīng)，水中的溶解氧被除去，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

由于工藝缺陷，現(xiàn)有軟水罐為常壓罐，軟水儲存過程中，不能保證密閉條件，含氧量高，超標(biāo)頻繁，設(shè)備存在氧腐蝕安全風(fēng)險，直接影響蒸汽鍋爐使用壽命。

抽取第A處理廠7月軟水含氧量數(shù)據(jù)與正常軟水含氧量（≤0.1 mg/L）數(shù)據(jù)相對比，對比（見圖4）。

2.3 爐水合格率低

2.3.1 硬度 總硬度是指水中鈣鹽和鎂鹽的總含量，單位mmol/L。

水中總硬度是鍋爐用水中一項十分重要的指標(biāo)，因為硬度的大小和組成硬度鹽類的性質(zhì)，直接關(guān)系著鍋爐結(jié)生水垢的數(shù)量和性質(zhì)，關(guān)系著水處理方法的選擇和水處理成本。

圖4 7月第A處理廠軟水含氧量與正常軟水含氧量對比圖

圖5 7月第A處理廠爐水總硬

取第A處理廠2#鍋爐7月化驗數(shù)據(jù)分析（見圖5），從圖5中趨勢線可見，存在超出爐水總硬標(biāo)準(zhǔn)范圍≤0.04 mmol/L的數(shù)據(jù)，說明爐水硬度依舊存在不達標(biāo)情況。

2.3.2 堿度 指水中所含能接受氫離子的物質(zhì)的含量。鍋爐水的堿度直接影響鍋爐防垢、防腐的效果，因此堿度也是鍋爐用水的一項重要指標(biāo)（見圖6）。

圖6 7月第A處理廠爐水總堿

從圖6可見，總堿標(biāo)準(zhǔn)范圍是6～24，實際存在化驗數(shù)據(jù)低于下限情況出現(xiàn)，且實際化驗堿度波動范圍極大，對鍋爐、管線存在腐蝕隱患。

2.3.3 pH值 pH值是表示水的酸堿性的指標(biāo)，pH越小，酸性越強，pH值等于7時為中性，無論是給水或爐水都要求一定的pH值，因為它直接影響著鍋爐的結(jié)垢和腐蝕速度。

圖7 7月第A處理廠爐水pH

從圖7可見，鍋爐爐水pH值標(biāo)準(zhǔn)范圍是10～12，實際數(shù)據(jù)存在超出上限12情況出現(xiàn)，說明鍋爐爐水pH值存在不達標(biāo)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響管線和鍋爐的腐蝕速度。

因此，鍋爐運行中，由于爐水不斷蒸發(fā)，濃縮使水中含鹽量不斷增加?；炇倚钑r刻監(jiān)控蒸汽鍋爐pH值、總堿度、總硬度是否達標(biāo)。為了使?fàn)t水達標(biāo)，鍋爐崗人員每天需要定期排污，甚至加強排污頻次。而這樣也意味著新鮮水浪費較大，氣田采出水處理負(fù)荷較大。

2.4 鍋爐故障率及檢修

汽水共騰問題：水位發(fā)生劇烈波動，水位表內(nèi)水位不清楚，水位報警器間斷發(fā)生高低水位報警信號。汽水共騰會引起蒸汽品質(zhì)下降、下游設(shè)備堵塞、蒸汽管網(wǎng)水擊及液位計水位不清等問題。

同時，蒸汽鍋爐供熱系統(tǒng)需建鍋爐房以及水處理等輔助設(shè)施，且相同溫度下系統(tǒng)的承壓高，管網(wǎng)所用材質(zhì)要求也高，故相應(yīng)投資也大。

鍋爐在年度檢修期間必須完成的工作有：（1）對鍋筒受熱面內(nèi)部進行化學(xué)清洗以清除水垢；（2）針對平時發(fā)現(xiàn)及需要維修的項目進行認(rèn)真檢查及修理；（3）氣田產(chǎn)出水單元運行情況：爐水若化驗超標(biāo)，將對下游氣田產(chǎn)出水處理管線造成腐蝕或堵塞；同時新鮮水浪費較大造成氣田采出水處理負(fù)荷較大。

3 蒸汽鍋爐改進措施

3.1 降低鍋爐系統(tǒng)排污量

排污率是指鍋爐連續(xù)排污流量與實際蒸發(fā)量的比值。GB50041-2008《鍋爐房設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定當(dāng)蒸汽壓力小于或等于2.5 MPa時鍋爐的排污率不宜大于10%。蒸汽壓力大于2.5 MPa時鍋爐的排污率不宜超過5%。第A處理廠鍋爐排污管線為DN40、鍋爐運行壓力為0.3 MPa～0.5 MPa，平均單臺鍋爐蒸發(fā)量為27 t/d～30 t/d，即排污量應(yīng)該小于 2.7 t/d～3.0 t/d。

根據(jù)理論排污量，優(yōu)化鍋爐排污頻次減少排污量，由目前的2次/小時調(diào)整為3次/2小時，化驗檢測鍋爐水質(zhì)，根據(jù)化驗數(shù)據(jù)調(diào)整排污頻次。

3.2 合理利用冷凝水減少常排

鍋爐房軟水罐擴建：第A處理廠鍋爐房建有40 m3軟水罐一具、40 m3冷凝水罐一具，軟水主要供鍋爐用水、暖氣循環(huán)用水及裝置區(qū)蒸發(fā)式冷凝器冷卻用水，設(shè)計要求將冷凝水與軟水拉通使用，但實際因兩罐拉通后水溫較高無法滿足丙烷裝置蒸發(fā)式冷凝器的水冷要求，因此一直無法將軟水罐和冷凝水罐拉通使用，冷凝回水全部排放，造成水資源浪費同時加大了采出水處理和回注系統(tǒng)壓力。

圖8 軟水出水工藝優(yōu)化后流程圖

改造后成果：為滿足蒸發(fā)式冷凝器冷卻用水的同時將冷凝回水再度利用，在已建軟水罐東側(cè)空地，按照圖紙鍋爐房第二版制6835-4要求制作40 m3鋼制立式軟水罐一具，專供裝置冷卻用水，然后將原有軟水罐和冷凝水罐拉通供鍋爐和暖氣循環(huán)用水，降低因冷凝回水排放造成的水資源浪費同時降低回注系統(tǒng)負(fù)荷。工藝連接（見圖8）。

3.3 軟水指標(biāo)受控，降低腐蝕程度

目前軟水生產(chǎn)工藝是由管網(wǎng)來生水，經(jīng)軟化除氧機組后直接進罐存儲供鍋爐使用，經(jīng)過優(yōu)化后，將管網(wǎng)來生水先經(jīng)自動軟化器軟化后進罐儲存，再經(jīng)除氧機組密封管網(wǎng)內(nèi)除氧后直接進入鍋爐，避免爐內(nèi)氧腐蝕的侵害（見圖9，表3）。

圖9 軟水生產(chǎn)工藝優(yōu)化前后氧含量數(shù)據(jù)對比曲線圖

表3 工藝優(yōu)化后軟水氧含量（mg/L）

表3 工藝優(yōu)化后軟水氧含量（mg/L）（續(xù)表）

由圖9看到，鍋爐軟水生產(chǎn)工藝優(yōu)化后，軟水氧含量值由投運前的1.73 mg/L降至0 mg/L，指標(biāo)為0.1 mg/L。通過本次對鍋爐給水系統(tǒng)進行改造，明顯降低了鍋爐內(nèi)部溶解氧數(shù)值，達到了鍋爐給水指標(biāo)條件。

4 結(jié)語

（1）制作40 m3鋼制立式軟水罐一具，專供裝置冷卻用水，將原有軟水罐和冷凝水罐拉通供鍋爐和暖氣循環(huán)用水，降低水資源浪費同時降低回注系統(tǒng)負(fù)荷。

（2）軟水進罐前安置除氧裝置使得軟水氧含量大幅下降，含量控制得當(dāng)，降低鍋爐氧腐蝕程度，提高鍋爐設(shè)備的使用壽命。

（3）該項工作節(jié)約了用水的同時也降低了電量的消耗，避免水資源浪費、達到節(jié)約成本的目的。也為今后改造供熱系統(tǒng)工藝流程和設(shè)備選型提供了經(jīng)驗。

［1］王軍.淺談提高鍋爐熱效率的方法［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006，16（22）：272-273.

［2］林宗虎，等.鍋爐手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1989.

［3］天然氣處理廠鍋爐房圖紙.制 6835-4.長慶勘探設(shè)計研究院.

［4］張朝暉.熱媒爐導(dǎo)熱油使用狀況分析［J］.油氣儲運，1998，18（7）：35-36.